青 岛 科 技 大 学

　　二○一二年硕士研究生入学考试试题

　　考试科目：化工原理

　　注意事项：1.本试卷共 7 道大题(共计 29 个小题)，满分 150 分;

　　2.本卷属试题卷，答题另有答题卷，答案一律写在答题卷上，写在该试题卷上或草纸上均无效。要注意试卷清洁，不要在试卷上涂划;

　　3.必须用蓝、黑钢笔或签字笔答题，其它均无效。

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　　一、(20分)如附图所示，用离心泵将10000kg/h的乙醇-水溶液(乙醇的质量分率为0.9)从低位敞口贮槽输送至高位槽，两槽内液面维持恒定。高位槽上装有以水银为指示液的复式U形管压差计，来测量液面上方气体的压强。已知该U形管压差计的读数为R1=350mm，R2=450mm，H=800mm，h=100mm，两指示剂之间以及指示剂与容器之间的流体与输液管路内流体相同，U形管外端与大气相通。输送管道为φ50×2.5mm的钢管，总长50m(包括所有局部阻力的当量长度)，管壁的绝对粗糙度为0.2mm。高位槽内液面高出低位槽液面20m，离心泵的效率为0.7。乙醇和水的摩尔质量分别为46kg/kmol和18kg/kmol，密度分别为789 kg/m3和998kg/m3，溶液黏度为1.4mPa？s，水银的密度为13500kg/m3。过渡流和湍流时的摩擦系数λ采用如下的Chen公式计算：

　　试求：(1)高位槽液面上方的操作压力p2;(2)泵的轴功率;(3)若管道内径减至原有的1/2，其他条件不变，则管道内的流动阻力损失变为原来的多少倍?

　　二、(10分)含尘炉气进入一降尘室中除去其中所含的矿尘。降尘室长5m，宽2m，高4m。气体温度为200℃，常压，黏度为0.034mPa？s，摩尔质量为29kg/kmol，其密度可按理想气体来计算，操作条件下的气体体积流量为70000m3/h。矿尘密度为2100kg/m3。要求净化后的炉气中不含粒径大于60μm的矿尘颗粒。

　　试求：(1)粒径为60μm的矿尘颗粒在炉气中的沉降速度;(2)在该降尘室内需要设置多少层水平隔板?(3)若气体温度降至40℃，则粒径为60μm的矿尘的沉降速度变为原来的多少倍?已知40℃时气体的黏度为0.055mPa？s。

　　三、(20分)某生产工艺中需要设计一单壳程、多管程的列管换热器，用20℃的水将9000kg/h的液体由120℃冷却至50℃，该液体的比热容为1.5kJ/(kg？℃)。水走管程，比热容为4.2 kJ/(kg？℃)，密度为1000kg/m3，黏度为1mPa？s，导热系数为0.6W/(m？℃)，出口温度为30℃。总传热系数K依经验取为500W/(m2？℃)，污垢热阻忽略不计，热损失忽略不计。

　　试求：(1)所需的水流量;(2)若温度差校正系数φΔt=0.85，计算该换热任务所需的换热面积;(3)若选择一个单壳程、四管程的列管换热器(外壳直径为400mm，列管直径为φ25×2.5mm，长3m，管子总数为86)进行上述换热，计算此时水侧的对流传热系数;(4)若该换热器壳体外表面温度为85℃，在其外包扎一层100mm厚、导热系数为0.08W/(m？℃)的保温层，保温层外表面温度为40℃，计算每米壳长通过保温层的散热损失。

　　四、(20分)在连续常压精馏塔中分离苯-甲苯混合液。原料液在泡点下进入塔内，流量为2000kg/h，组成为0.4(苯的质量分率，下同)。要求馏出液中苯的回收率为93.3%，釜液中甲苯的回收率为58.6%。塔顶采用全凝器，饱和液体回流，回流比为2.2。常压下苯-甲苯溶液的t-x/y相图见本题附图。该物系可看作理想物系，苯的摩尔质量为78kg/kmol，甲苯的摩尔质量为92 kg/kmol。

　　试求：(1)塔顶、塔釜产品和进料的摩尔流量和摩尔组成;(2)利用本题附图计算苯-甲苯物系在塔顶和塔釜间的平均相对挥发度;(3)采用逐板计算法计算该塔所需的理论板层数;(4)已知塔顶馏出液的汽化热为393kJ/kg，塔釜采出液的汽化热为363kJ/kg，计算塔顶全凝器和塔釜再沸器的热负荷(忽略热损失)。

　　五、(20分)在一直径为1.2m的逆流吸收塔中，用水吸收混于空气中的甲醇蒸气。甲醇吸收的平衡关系服从亨利定律，亨利系数E=24.1kPa，气膜吸收系数kG=1.7×10-5kmol/( m2？s？kPa)，液膜吸收系数kL=2.4×10-5kmol/( m2？s？kmol/m3)。进塔气体含甲醇5.2%(体积)，要求吸收率为95%，操作温度为30℃，常压操作，进塔液体为纯水。已知单位时间流过塔的惰性气体量为52kmol/h，气相总体积吸收系数KYa=0.05kmol/(m3？s)，吸收剂用量为理论最小用量的1.5倍。水的密度为1000kg/m3，摩尔质量为18kg/kmol。

　　试求：(1)该吸收过程为气膜控制还是液膜控制?(2)出塔液体组成X1;(3)所需填料层高度。

　　六、(20分)在常压下将含水量为6%(湿基，下同)的湿物料以5700kg/h的流量送入干燥器中，干燥产品的含水率为0.3%，干燥流程如本题附图所示。所用加热空气的温度为20℃，湿度为0.01kg(水)/kg(绝干气)。该加热空气被预热到120℃后进入干燥器，废气出口温度为75℃，忽略预热器向周围的热损失。设干燥过程为理想等焓干燥过程。

　　试求：(1)绝干空气的用量;(2)预热器的热负荷;(3)将干燥器出口的废气在101.3kPa的恒定总压下冷却到40℃，计算每千克干空气所能析出的水分量(40℃时水的饱和蒸汽压为7.38kPa);(4)干燥器的热效率(忽略湿物料中水分带入系统中的焓)。

　　七、简答题(每题5分，共40分)

　　1. 局部阻力损失的计算方法有哪些?

　　2. 离心泵安装时，为什么必须限制其安装高度?

　　3. 什么是沉降操作?

　　4. 列管式换热器设计时应考虑哪些问题?

　　5. 恒沸精馏和萃取精馏的原理是什么?

　　6. 什么是气体的溶解度?温度和压力对其有何影响?

　　7. 什么是塔板负荷性能图?

　　8. 通过恒定干燥条件下的干燥速率曲线，可以将干燥过程分为哪几个阶段?